海峽奧體中心體育館鋼結構監測系統研究

張偉，張文耀，楊偉，葉健

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350025)

1 概況

結構物的形式及功能越來越豐富多樣，并日趨大型化、復雜化。而這些大型復雜結構在復雜的服役環境中將受到設計荷載的作用以及各種外在因素的影響而面臨結構的損傷積累及退化問題，造成這些損傷和退化的可能原因有:環境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應、疲勞效應與突變效應等，此外加上對結構特別是新型結構體系認知水平不足、施工質量問題、材料自身不確定等因素。特別是大空間、大跨度結構往往投資巨大、人員密集，一旦發生結構破壞等安全事故，勢必會造成重大經濟損失和極壞的社會影響[1，2]。為了保障結構的安全性、耐久性和使用性，必須采取必要手段，對建設或使用中的結構性能進行有效的監測[3，4]。

海峽奧林匹克體育中心(簡稱海峽奧體中心)體育館覆蓋鋼結構屋蓋平面似水滴形，南北長約298m，東西約152m。屋蓋北高南低，北側結構桿件中心線最高點標高為39.67 m，正南側端部結構桿件中心線標高為18.67 m;沿東西方向為中間高，兩端低，屋蓋最低點標高約為 16.2 m，結構整體模型見(圖1)。整個屋蓋利用下部混凝土結構的框架柱作為支座，分為三個區域:比賽區、觀眾大廳、訓練區，見(圖2)示意圖。

其中體育館比賽區屋蓋采用四邊形環索弦支－張弦組合結構。四邊形環索弦支結構是一種結構新型體系，由網格梁、斜索、下撐鋼管及四邊形環向索構成，通過斜索的預應力張拉，使下撐鋼管受壓力，提高改善網格梁結構的受力和變形性能。同時結合本工程特點，設置張弦構件進一步提高結構受力性能。單重四邊形環索弦支結構在深圳北站雨棚有所應用[5，6]，多重四邊形環索弦支結構在本工程此規模的橢圓形屋蓋中應用屬首創，具有線條簡單明快，用鋼節約，傳力明確的特點。比賽區四邊形環索弦支－張弦組合結構體系結構布置三維視圖及立面視圖如(圖3)所示。

由于比賽區鋼結構屋蓋造型新穎、結構形式尚屬首創，受力變形情況復雜，對于該結構形式的認知需要進一步驗證。為了解結構中關鍵構件的實際工作狀況，及時掌握體育館的工作環境、荷載變化、主要構件的內力分布、支座的位移狀況以及整體工作性能等方面的信息，對該結構實施關鍵構件及工作環境的實時監測，以部分取代傳統的鋼結構人工檢測，并根據實測的關鍵桿件的應力狀況及結構的振動狀態，評估體育場館整體結構的受力情況和長期趨勢，對設計狀態進行驗證，為既有大跨空間結構的監測提供實踐經驗。

2 監測內容

根據奧體中心體育館屋蓋比賽區多重四邊形環索－張弦結構的受力特性，考慮其在施工階段及運營過程中的受力監測需求，整個系統的監測包括以下幾個方面[4，7]:

(1)體育館比賽區屋蓋網格梁關鍵截面的應變監測;

(2)體育館比賽區屋蓋下撐鋼管關鍵截面的應變監測;

(3)體育館比賽區屋蓋的斜撐應變監測;

(4)育館比賽區屋蓋四邊形環索中斜索索力監測;

(5)體育館比賽區屋蓋的四邊形環索中環索索力監測;

(6)體育館比賽區屋蓋的張弦梁中張弦索的索力監測;

(7)體育館比賽區屋蓋的振動監測;

(8)體育館比賽區屋蓋的變形監測;

(9)體育館比賽區屋蓋的工作環境監測;

五是水域岸線和圩區管理?！稐l例》規定制定岸線利用管理規劃，明確太湖等流域重點河湖岸線劃定、利用和管理等要求，整體布局流域河湖岸線利用，協調防洪安全與河湖岸線開發利用的關系，在這些重點河湖岸線內興建建設項目，應當符合太湖流域綜合規劃和岸線利用管理規劃；《條例》規定太湖流域圩區建設、治理應當符合流域防洪要求，明確太湖等重點河湖及兩省一市行政區域邊界河道的圩區建設、治理方案在批準前，應當征得太湖局同意，從流域層面統籌區域防洪和流域防洪的關系。

圖1 整體結構模型三維圖

圖2 屋面平面尺寸及場館分區示意圖

圖3 比賽區屋蓋結構布置圖

圖4 網格梁及斜撐應變監測位置圖

圖5 下撐桿應變監測位置圖

圖6 屋蓋變形監測點

在具體實施過程中，包含施工階段的監測及運營期長期監測兩部分，其中施工期間不監測索力、振動及工作環境。整個監測系統采用長期監測與定期檢測相結合、實時在線監測與定時離線監測相結合的原則進行。

3 監測方案

3.1 關鍵截面的應變監測

(1)網格梁應變監測

網格梁為多采用矩形鋼管截面，根據受力分析可知，在斜索的張拉力作用下，部分網格梁會出現較大的內力。根據網格梁結構的對稱性，本文選取部分網格梁關鍵截面進行應力應變監測。共選擇網格梁監測截面16個，應變監測的截面位置如(圖4)中的1#～16#應變測點所示。由于網格梁為矩形截面，應變計分別布置于上、下緣截面，每個截面布置2個應變計。

(2)斜撐應變監測

對斜撐桿的應變進行監測，選擇4個斜撐桿，如(圖4)中17#～20#桿件，每個測試截面布置2個測點，共8個應變測點。

(3)下撐鋼管關鍵截面的應變監測

共選擇環索撐桿8根，張弦梁撐桿4根，共12根撐桿進行應力監測。監測桿件見(圖5)中X1～X12桿件。應變測點采用對稱布置形式，一個測試截面布置2個測點，共24個應變測點，如(圖5)所示。

3.2 屋蓋的變形監測

經初步計算分析后選取比賽區變形較大部位進行變形觀測，取網格梁靠近中部位置設置9個變形觀測點如(圖6)，監測其豎向變形。

3.3 索力監測

3.3 屋蓋的振動監測

屋蓋在運營過程中，荷載作用下屋蓋可能會發生豎向及水平向的振動，本項目擬對屋蓋的豎向及水平向振動進行實時監測。監測位置如(圖8)。監測采用加速度傳感器，在比賽場屋蓋中心布置2個方向水平向和豎向的加速度傳感器;分別在兩邊布置2個水平向加速度傳感器。共5個加速度傳感器。

圖7 索監測截面位置示意圖 圖8 屋蓋振動監測點位置圖

3.4 工作環境監測

通過及時掌握現場的工作環境，包括溫度、濕度、風力及風向進行實時在線監測，為結構受力狀態分析提供科學依據。

(1)工作場地的溫度場選用溫度傳感器進行測量;

(2)工作場地的濕度場選用濕度傳感器進行測量;

(3)工作場地的風速風向選用風速儀進行測量。

在體育場鋼結構有代表性位置布置1套溫度、濕度傳感器及3套風速儀進行工作環境的實時在線監測。

4 施工監測及分析結果

目前該工程已經完成施工期監測，施工期監測包括環索與張弦索的張拉過程監測。所測數據與數值模擬結果進行比對，以檢驗施工過程是否存在異常。

所采用的數值模擬軟件為CSI公司的sap2000，索單元材料選擇tendon(索)，鋼桁架桿件采用“框架單元”模擬，模型在sap2000中應用Nonliner Static非線性分析，考慮非線性階段施工的影響，按照設計文件中每一步的張拉工況建立模型施加荷載分析，再根據現場實際情況(施工順序、溫度等的變化)修正模型。

在實際施工中，實際上先后進行了八次的張拉過程，由于監測所得數據量大，在描述應變測量分析結果時，本文僅選取比賽區的中部及角部監測點進行說明;描述位移測量分析結果時，僅選取屋蓋北、中、南側測點進行說明;其中，應力測量分析結果見(圖9)，位移監測結果見(圖10)，由于張拉時是對不同的索由松弛狀態開始張拉，且張拉時直接由油壓表校準，因此，在張拉過程中并不對索力進行監測。索力、振動及工作環境監測僅用于運營期長期監測用。

圖9 應力測試結果與分析結果對比

實際施工張拉過程中各點產生的豎向變形以及應力變化趨勢與有限元模型計算結果一致的。同時，各級張拉過程中，各測點實際撓度值以及應力與理論計算值十分接近，說明結構處于較理想的受力狀態。

圖10 變形測試結果與分析結果對比

5 結論

實測數據與有限元模擬計算結果的對比表明，海峽奧體中心體育館實際張拉施工過程中，各測點實際撓度值與理論計算值的數值大小基本一致;絕大部分監測構件截面應力變化的實測值的變化規律均與理論計算值是一致的。

海峽奧體中心體育館監測系統的組建以及張拉施工期間的監測結果表明，該系統為體育館鋼結構的設計狀態以及安全施工成功進行了驗證;該驗證結果也印證了該監測系統的可靠性，因此依托該系統的運營期監測可為該體育場的現代化數字化安全運營管理提供重要依據，并可為既有大跨空間結構的監測提供實踐經驗。

[1]歐進萍.重大工程結構損傷累積、健康監測與安全評定.見:國家自然科學基金委員會工程與材料科學部學科發展戰略研究報告(2006年～2010年)土木工程卷[M].北京:科學出版社，2006.

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[4]劉倩.大跨空間結構健康監測系統研究[D].大連:大連理工大學，2011.

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[8]CECS 333－2012，結構健康監測系統設計標準[S].